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JPH0550872B2 - - Google Patents
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JPH0550872B2 - - Google Patents

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JPH0550872B2
JPH0550872B2 JP60003140A JP314085A JPH0550872B2 JP H0550872 B2 JPH0550872 B2 JP H0550872B2 JP 60003140 A JP60003140 A JP 60003140A JP 314085 A JP314085 A JP 314085A JP H0550872 B2 JPH0550872 B2 JP H0550872B2
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、−族化合物半導体材料を使用す
る赤外線検出装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION <Industrial Application Field> The present invention relates to an infrared detection device using a - group compound semiconductor material.

<従来技術及びその問題点> 特に夜間光景を可視映像化する為に、赤外放射
の検出可能なシステムに関する需要は、現在、大
きい。赤外放射検出システムは、従来技術として
よく知られており、種々の異なる形式の検出シス
テムが存する。近年、かなり注目されてきた赤外
放射検出システムには、赤外線の周波数に合わせ
て水銀とカドミウムの化学量数の比が調整され得
るような水銀、カドミウム及びテルルの合金を用
いるものがある。このような材料は、当業者間で
は、広汎なスペクトルを包括するHgCdTe(水銀
カドミウムテルル)として知られている。このよ
うなHgCdTe材料のような三元合金は、現在で
は、二次発生赤外検出システムにより適する材料
として注目されている。
<Prior art and its problems> There is currently a great demand for systems capable of detecting infrared radiation, especially for visualizing nighttime scenes. Infrared radiation detection systems are well known in the art, and there are a variety of different types of detection systems. Infrared radiation detection systems that have received considerable attention in recent years include those that use alloys of mercury, cadmium, and tellurium in which the mercury to cadmium stoichiometry ratio can be adjusted to the infrared frequency. Such materials are known to those skilled in the art as HgCdTe (mercury cadmium telluride), which encompasses a broad spectrum. Ternary alloys such as HgCdTe materials are currently attracting attention as materials more suitable for secondary generation infrared detection systems.

従来技術の水銀カドミウムテルルの化合物材料
の使用が広く受けいれられているにもかかわら
ず、これらの材料は種々の問題をかかえている。
この問題とは、結晶のサイズ及び純度、集積回路
技術への仕上げ、光起電流100℃の環境条件にも
抗することができなうような界面を生じさせてし
まう陽極酸化に起因する材料表面の相対的不安定
さ、等である。従つて、従来技術であるHgCdTe
材料を使用する技術を改良させるばかりでなく、
既存のシステムの持つ長所よりも秀れた長所も持
つ赤外放射検出装置の使用に適した材料を発見す
ることが望まれている。
Despite the wide acceptance of the use of prior art mercury-cadmium-tellurium compound materials, these materials suffer from various problems.
This problem is due to the size and purity of the crystals, the finish to integrated circuit technology, and the material surface due to anodization, which creates an interface that cannot withstand photovoltaic currents even in 100°C environmental conditions. relative instability, etc. Therefore, the conventional technology HgCdTe
In addition to improving the technology of using materials,
It would be desirable to find materials suitable for use in infrared radiation detection devices that also have advantages over those of existing systems.

<問題点を解決するための手段> 本発明に従うと、特にガリウムヒ素とアルミニ
ウムガリウムヒ素を使う好ましくは−族の材
料の半導体ヘテロ接合(又はヘテロバリア)構造
を基本的に用いる赤外放射検出装置が提供され
る。2つのヘテロ接合を作るために、成分比が異
なる二種類の(AlGa)Asが使用される。基板に
近い方のヘテロ接合は、赤外光子の持つエネルギ
ー量より小さい伝電帯エネルギーバリヤを持つよ
うに設計される。電子は光励起されこの合バリヤ
をのりこえ、第2のヘテロ接合で集められる。第
2のヘテロ接合は、前に示した基板に近い方のヘ
テロ接合よりずつと大きな伝電帯エネルギーバリ
ヤを持つように設計される。第2のヘテロ接合で
集められた電荷は画像信号として読み出される。
第2のヘテロ接合の界面に広がる負電圧のために
伝電帯においてエネルギー変化は、不連続にな
る。この電荷は、過剰な電子が第2のヘテロ接合
でトラツプされる為に自然に発生する。
<Means for Solving the Problems> According to the invention, an infrared radiation detection device is provided which basically uses a semiconductor heterojunction (or heterobarrier) structure, preferably of materials of the - group, especially using gallium arsenide and aluminum gallium arsenide. provided. To create two heterojunctions, two types of (AlGa)As with different component ratios are used. The heterojunction closer to the substrate is designed to have a conductive band energy barrier that is less than the amount of energy carried by infrared photons. Electrons are photoexcited, cross this coupling barrier, and are collected at the second heterojunction. The second heterojunction is designed to have a significantly larger conductive charge energy barrier than the previous heterojunction closer to the substrate. The charges collected at the second heterojunction are read out as an image signal.
The energy change in the conduction band becomes discontinuous due to the negative voltage spreading across the interface of the second heterojunction. This charge naturally occurs because excess electrons are trapped in the second heterojunction.

上記の構造によつて所望の結果を得ることがで
きるが、上記のような赤外線撮像装置は、量子効
率が悪いという問題点を持つ。その理由は、ほぼ
自由なキヤリア(電子)を励起させようとする方
法がとられ、この方法では、エネルギー及び運動
量の保存則を満すことができない為である。質量
ゼロの粒子である光子は、その光子の持つエネル
ギーに比較し、非常にわずかな運動量しか持たな
い。光子が完全に吸収されて、光子のエネルギー
が全て、電子の運動量に変換されると、電子は非
常に大きな運動量を持つようになる。結晶内で
は、このことは一般に光吸収過程においてフオノ
ン(音響子)が関与することが必要になる。この
ことは、故に光子を吸収する断面積は、非常に小
さくなることを意味する。
Although desired results can be obtained with the above structure, the above infrared imaging device has a problem of poor quantum efficiency. The reason for this is that a method is used in which almost free carriers (electrons) are excited, and this method cannot satisfy the law of conservation of energy and momentum. A photon, a massless particle, has very little momentum compared to its energy. When a photon is completely absorbed and all of the photon's energy is converted into electron momentum, the electron has a very large amount of momentum. In crystals, this generally requires the participation of phonons (acoustons) in the light absorption process. This means that the cross-sectional area for absorbing photons becomes very small.

光子を直接吸収する過程で量子効率を高めるた
め、赤外放射吸収層にガリウムヒ素の代わりに人
工の超格子構造材料が使用される。この超格子構
造では、一定の規則正しい(格子)構造であるた
め、連続するエネルギーバンド中の伝導帯は、非
常に小さなバンドギヤツプによつて分断されてい
る。この格子構造は、好ましくは、N型にドーピ
ングが行われたガリウムヒ素を含んでいる。この
ガリウムヒ素は、一定の間隔でガリウムのある位
置に、代わりにアルミニウムが含まれている。ア
ルミニウムが配置される間隔は、検出される赤外
放射の周波数によつて決められる。
In order to increase quantum efficiency in the process of directly absorbing photons, an artificial superlattice structure material is used instead of gallium arsenide in the infrared radiation absorption layer. In this superlattice structure, since it is a regular (lattice) structure, the conduction bands in successive energy bands are separated by very small band gaps. The lattice structure preferably includes N-type doped gallium arsenide. This gallium arsenide contains aluminum instead of gallium at regular intervals. The spacing at which the aluminum is placed is determined by the frequency of the infrared radiation being detected.

故に、本発明は、接合を持たない赤外放射検出
装置を開示する。この検出装置では、光子は、吸
収層内の伝導帯の遷移を用いて吸収される。伝導
帯遷移によつて励起されるキヤリアは、注入バリ
ヤをのりこえて注入される。この注入バリヤはヘ
テロ接合で構成される。このキヤリアは第2のヘ
テロ接合キヤリア集収バリヤにはばまれ集められ
る。上記キヤリア集収バリヤで集められたキヤリ
アはさらに周期的に感知される。好ましくは、吸
収層は、超格子構造であり、このとき赤外光子
は、通常の半導体のように間接伝導帯遷移により
吸収される必要がなく、本質的に直接伝導帯遷移
により吸収可能になる。
Therefore, the present invention discloses a junctionless infrared radiation detection device. In this detection device, photons are absorbed using conduction band transitions within the absorption layer. Carriers excited by conduction band transitions are injected across the injection barrier. This injection barrier consists of a heterojunction. This carrier is trapped and collected by a second heterojunction carrier collection barrier. The carriers collected by the carrier collection barrier are further periodically sensed. Preferably, the absorption layer is a superlattice structure, in which infrared photons do not have to be absorbed by indirect conduction band transitions as in normal semiconductors, but can be absorbed by essentially direct conduction band transitions. .

本発明に従う赤外放射検出装置は−族材
料、好ましくはガリウムヒ素の伝電材料基板を持
つ。この基板の上には、エネルギーギヤツプが大
きい半導体材料及びエネルギーギヤツプが小さい
半導体材料の薄い層が相互に積層する上述の超格
子構造が形成される。この半導体材料は、アルミ
ニウムガリウムヒ素及びガリウムヒ素が好ましい
材料である。この格子構造の上には、わずかなバ
ンドギヤツプを持つ半導体材料合金層が形成され
る。この半導体材料はアルミニウムガリウムヒ素
が好ましい材料であり、この半導体材料層内に光
子によつて励起されたキヤリアが注入される。こ
の半導体層の上には、上記半導体合金層より大き
いバンドギヤツプを持つ第2の半導体材料合金層
が形成される。この第2の半導体材料合金層は、
上記半導体材料合金層と異なるガリウム/ヒ素の
成分比を持つアルミニウムガリウムヒ素で好まし
くは構成される。
The infrared radiation detection device according to the invention has a conductive material substrate of a -group material, preferably gallium arsenide. On this substrate, the above-mentioned superlattice structure is formed in which thin layers of large energy gap and small energy gap semiconductor materials are stacked on top of each other. Preferred semiconductor materials are aluminum gallium arsenide and gallium arsenide. A semiconductor material alloy layer with a slight band gap is formed over this lattice structure. The semiconductor material is preferably aluminum gallium arsenide, into which photon-excited carriers are injected. A second semiconductor material alloy layer having a larger bandgap than the semiconductor alloy layer is formed over the semiconductor layer. This second semiconductor material alloy layer is
It is preferably made of aluminum gallium arsenide having a different gallium/arsenic component ratio than the semiconductor material alloy layer.

超格子構造の規則性によつて生まれる第1の2
つの「小さな帯域」間のエネルギーギヤツプが赤
外光子エネルギーと等しいか又はそれ以下になる
ように上記超格子構造は設計されている。上記第
1の「小さな帯域」を自由キヤリアでほぼ満たす
ようにドーピングが行われる。故に、赤外放射
は、効率的に吸収され、第2の「小さな帯域」等
に自由キヤリアを発生する。光励起されたこのよ
うなキヤリアが基板に近い方のヘテロ接合をのり
こえて半導体材料層内に達するが上記小さな帯域
のエネルギーの小さい方の帯域内のキヤリアはブ
ロツクされるように上記第2の半導体材料層のバ
ンドギヤツプが選択される。これらのキヤリア
は、電界が与えられると、層内を横切つて移動す
ることができるようになり、バンドギヤツプが大
きい第2の半導体材料層のヘテロ接合又は界面で
集められる。選択的に装置の頂面に絶縁物層を設
け、それをおおつて金属ゲート電極層が形成され
る。
The first 2 produced by the regularity of the superlattice structure
The superlattice structure is designed such that the energy gap between the two "small bands" is equal to or less than the infrared photon energy. Doping is performed so that the first "small band" is substantially filled with free carriers. The infrared radiation is therefore efficiently absorbed, generating free carriers in the second "small band" and so on. the second semiconductor material such that such optically excited carriers cross the heterojunction closer to the substrate and reach the semiconductor material layer, but carriers in the smaller energy bands of the smaller bands are blocked; The bandgap of the layer is selected. When an electric field is applied, these carriers are allowed to migrate across the layer and are collected at the heterojunction or interface of the second semiconductor material layer where the bandgap is large. Optionally, a layer of insulator is provided on the top surface of the device, over which a metal gate electrode layer is formed.

このように、この発明によるときは、HgCdTe
三元合金で得られていた効果を、より扱い易い
GaAs、GaAlAs等で実現することができる。つ
まりGaAs、GaAlAsはプロセス知識も進んでお
り、そのもの自体安価でかつ安定であり、IC化
にも適しているから、効果的な赤外線検出装置が
得られる。
Thus, according to this invention, HgCdTe
The effects obtained with ternary alloys are easier to handle.
It can be realized with GaAs, GaAlAs, etc. In other words, GaAs and GaAlAs have advanced process knowledge, are themselves inexpensive and stable, and are suitable for IC implementation, making it possible to create effective infrared detection devices.

(実施例) 第1図を参照すると、ガリウムヒ素の基板11
上に形成された複数の赤外放射検出セル1を持つ
典型的な赤外光撮像装置が図示されている。この
基板11は第2図に断面図が示される通り、ドー
ピングが全く行われていないか又は、わずかにド
ーピングが行われている。各々のセル1は、行列
マトリクスに配線されていて、FET装置3を介
して列線5及び行線7に接続されている。このよ
うな配線によつて周知の方法でいずれのセル1を
呼びだすことも可能な構成になつている。
(Example) Referring to FIG. 1, a substrate 11 of gallium arsenide
A typical infrared light imaging device is shown having a plurality of infrared radiation detection cells 1 formed thereon. As shown in the cross-sectional view of FIG. 2, this substrate 11 is either completely undoped or slightly doped. Each cell 1 is wired in a row and column matrix and is connected to a column line 5 and a row line 7 via a FET device 3. With such wiring, the configuration is such that any cell 1 can be called out by a well-known method.

第2図に示す通り、各々のセル1は、好ましく
は、伝電性のガリウムヒ素基板11(例えば1017
の不純物濃度でN型にドーピングされている。)
を有している。この基板11をおおつて、超格子
構造のN型ガリウムヒ素層13が形成される。基
板11と半導体材料層15の間では一部のガリウ
ムの代わりにアルミニウムが種々のレベルで含ま
れている。光子吸収層13と光子集収層15との
界面はアルミニウムの不連続により提供されてい
る。この界面では、他の部分より多い所定量のア
ルミニウムが、一部のガリウムに代わつてガリウ
ムのあつた位置に含まれていて、ガリウムヒ素と
アルミニウムガリウムヒ素とのヘテロ接合17を
形成している。ヘテロ接合17は、格子構造の吸
収層13内に電子が残存することを制限する。バ
リヤ層19は好ましくは、層15より多い成分比
でアルミニウムを含む(より大きなバンドギヤツ
プを持つ)第2のアルミニウムガリウムヒ素層1
9として構成され、層15と層19との間の第2
のヘテロ接合21はアルミニウムの量が急激に多
くなるように構成されている。層19内のアルミ
ニウムの量を界面で急に多くすることによつて、
界面は大きなバンドギヤツプを持つようになるた
め光励起され、ヘテロ接合17をのりこえ層15
内に入りこんできた電子は、ヘテロ接合21で形
成したバリヤによつてはばまれこの電子を集める
ための電子収集点が提供される。選択的に層19
を形成するかわりに又は層19の上をおおつて絶
縁物層23を形成することができる。この絶縁物
層23の絶縁物材料としては、二酸化シリコンが
好ましい。好ましくは、この絶縁物層23をおお
うて透明導電材料層25が形成される。この透明
導電材料としては、酸化スズ及び酸化インジウム
スズ(ITO)がこの使用目的にふさわしい。
As shown in FIG. 2, each cell 1 preferably comprises a conductive gallium arsenide substrate 11 (e.g. 10 17
It is doped to N type with an impurity concentration of . )
have. Covering this substrate 11, an N-type gallium arsenide layer 13 having a superlattice structure is formed. Between the substrate 11 and the layer of semiconductor material 15, aluminum is included at various levels in place of some gallium. The interface between the photon absorption layer 13 and the photon collection layer 15 is provided by aluminum discontinuities. At this interface, a predetermined amount of aluminum, which is larger than other parts, is included in place of some of the gallium, forming a heterojunction 17 between gallium arsenide and aluminum gallium arsenide. The heterojunction 17 limits the remaining electrons in the absorption layer 13 of the lattice structure. Barrier layer 19 preferably comprises a second aluminum gallium arsenide layer 1 containing aluminum in a greater proportion than layer 15 (having a larger bandgap).
9 and a second layer between layer 15 and layer 19.
The heterojunction 21 is constructed such that the amount of aluminum increases rapidly. By suddenly increasing the amount of aluminum in layer 19 at the interface,
Since the interface has a large band gap, it is optically excited and crosses the heterojunction 17 to form the layer 15.
The incoming electrons are blocked by the barrier formed by the heterojunction 21 and provide an electron collection point for collecting the electrons. selectively layer 19
Insulator layer 23 can be formed instead of or over layer 19. The insulating material for this insulating layer 23 is preferably silicon dioxide. Preferably, a transparent conductive material layer 25 is formed covering this insulating material layer 23. As transparent conductive materials, tin oxide and indium tin oxide (ITO) are suitable for this purpose.

第3図を参照すると、層13およびこの層13
の超格子構造が拡大されて図示されている。図か
ら明らかなように、N型にドーピングされたガリ
ウムヒ素31は、分子ビームエピタキシー
(MBE)によつて、所定の層の厚さで、基板11
上に形成される。このガリウムヒ素層31の一部
には、アルミニウムが加えられ、薄いアルミニウ
ムガリウムヒ素層33が形成される。この工程
は、層13が所定の高さに達するまで全体にわた
つて交互にくり返される。アルミニウムを含む領
域33は、お互いに等間隔で積層され、これらの
層間の間隔は、受けとる赤外放射の波長によつて
決まる。従つて層13の構成は、検出される赤外
放射の周波数にあわせて調整されることがわか
る。第3図の構造によつて赤外放射検出素子の量
子効率は、非常に向上される。
Referring to FIG. 3, layer 13 and layer 13
The superlattice structure of is shown enlarged. As is clear from the figure, N-type doped gallium arsenide 31 is deposited on a substrate 11 with a predetermined layer thickness by molecular beam epitaxy (MBE).
formed on top. Aluminum is added to a portion of this gallium arsenide layer 31 to form a thin aluminum gallium arsenide layer 33. This process is repeated alternately throughout the layer 13 until it reaches a predetermined height. The regions 33 containing aluminum are stacked on top of each other at regular intervals, the spacing between these layers being determined by the wavelength of the infrared radiation received. It can thus be seen that the configuration of layer 13 is adjusted to the frequency of the infrared radiation to be detected. With the structure of FIG. 3, the quantum efficiency of the infrared radiation detection element is greatly improved.

実際の動作では、赤外放射の光子が層13に衝
突し、電子のエネルギーに変換されることによつ
て層13内の電子が励起される。光子から充分な
エネルギーを受けとつたこれらの層13内の電子
は、第4図で示すように層13と層15の間に存
在するバリヤ即ちヘテロ接合17をよじ登ること
ができるようになる。従つてこれらの電子はバリ
ヤ17をのりこえて層15内へと移動する。層1
5内に移動してきた電子は、層15と層19(あ
るいは、層19を使わない場合は層15と層2
3)の間のバリヤ即ちヘテロ接合21をのりこえ
られずに、ここで収集される。バリヤ21にて電
子が収集されているので、第1図に示すような行
線5及び列線7を用いてセルを適当に感知する
と、アドレスした行により電荷をセンス線に装填
しなくとも、感知されるべき形成されたキヤパシ
タの各々の電荷が検出できるということが理解で
きる。
In actual operation, photons of infrared radiation impinge on layer 13 and are converted into electron energy, thereby exciting electrons in layer 13. Electrons in these layers 13 that have received sufficient energy from the photons are now able to climb the barrier or heterojunction 17 that exists between layers 13 and 15, as shown in FIG. These electrons therefore migrate over the barrier 17 into the layer 15. layer 1
The electrons that have moved into layer 5 are transferred between layer 15 and layer 19 (or, if layer 19 is not used, layer 15 and layer 2).
3) and is collected here without being able to cross the barrier or heterojunction 21 between them. Since the electrons are collected at the barrier 21, when the cell is properly sensed using the row lines 5 and column lines 7 as shown in FIG. It can be seen that the charge of each formed capacitor to be sensed can be detected.

本発明の装置の種々の実施例の動作は、これか
ら、更に詳細に示す。
The operation of various embodiments of the apparatus of the invention will now be shown in more detail.

第5図は、超格子材料層13の伝導帯の電子的
構造をより詳しく示している。超格子構造の規則
性は、人工的にブリユアン帯域境界101を作り
だしている。この境界101は、通常の放物線状
のポテンシヤルカーブ103を変形させ、このよ
うな通常の放物線状ポテンシヤルカーブ103の
代わりに人工的なブリユアン帯域境界101付近
でわずかに変形させ、第1の小さな帯域105を
作りだす。さらに、放物線状のポテンシヤルカー
ブ103その上方部分でも、変形され、超構子構
造の原子の空間配置の周期性によつて移動され、
第2の小さな帯域107が提供される。このよう
な構造の持つ利点としては、伝導帯内で直接遷移
を得ることができることがあげられる。即ち、第
1の小さな帯域から第2の小さな帯域への遷移
を、一定の値を持つ波長Kで得ることができる。
このことは光子の吸収が、音響子(フオノン)の
助けを必要としないうということである。このこ
とは、上記で説明した通り、光子が非常に効率よ
く吸収されることを意味する。注入バリヤの高さ
は、第2の小さな帯域のエネルギーギヤツプの高
さより低くなるように選択しなくてはならない。
これによつて、光子の吸収によつて第2の小さな
帯域内に注入されたキヤリアは、上記で説明した
通り、注入バリヤをのりこえて、注入される。
FIG. 5 shows the electronic structure of the conduction band of the superlattice material layer 13 in more detail. The regularity of the superlattice structure creates an artificial Brillouin band boundary 101. This boundary 101 deforms the normal parabolic potential curve 103 and slightly deforms it near the artificial Brillouin band boundary 101 instead of such a normal parabolic potential curve 103, creating a first small band 105. Create. Furthermore, the upper part of the parabolic potential curve 103 is also deformed and moved by the periodicity of the spatial arrangement of atoms in the superstructural structure,
A second small band 107 is provided. An advantage of such a structure is that it is possible to obtain a transition directly within the conduction band. That is, the transition from the first small band to the second small band can be obtained with a wavelength K having a constant value.
This means that the absorption of photons does not require the help of acoustic molecules (phonons). This means that photons are absorbed very efficiently, as explained above. The height of the injection barrier must be chosen to be lower than the height of the energy gap of the second small band.
Thereby, carriers injected into the second small band by absorption of photons are injected over the injection barrier, as explained above.

この構造は、長い波長を非常に鋭利にカツトオ
フすることができる。この構造の吸収帯域が広す
ぎる場合には、当然ながら、簡単に、短い波長を
吸収する材料で構造の表面をおおうことができ
る。
This structure allows very sharp cut-off of long wavelengths. If the absorption band of the structure is too broad, it is of course simply possible to cover the surface of the structure with a material that absorbs shorter wavelengths.

好ましくは、超格子構造は電子の質量がより小
さい点を利用するため、N型の素材料
(backgroundmaterial)を用いる。超格子構造の
素材料は、異なる材料から成る非常に薄い層で周
期的に交互に積みあげられた構成になつていて、
周期的に障壁を持つように構成される。この異な
る材料からなる層は、好ましくは、キヤリアがト
ンネル効果を起こし各材料層間を移動可能な程度
に薄い層(本実施例では約単分子膜)で構成す
る。このことは、超格子構造13のいかなる部分
で発生したキヤリアも、超格子構造13の中を通
過可能でバリヤをのりこえ、収集層15内へと注
入されることを意味する。交互に積層される薄い
層は、異なるバンドギヤツプを持つ半導体層で構
成することができる。しかし、結晶の格子構造が
完全に保持されながら、格子構造の特徴に周期的
に妨害(障へき)を加えた構造を持つものであれ
ば、ほとんどどのような材料によつて構成するこ
とも可能である。
Preferably, an N-type background material is used because the superlattice structure takes advantage of the fact that the mass of electrons is smaller. Superlattice materials consist of very thin layers of different materials that are stacked one on top of the other in a periodic manner.
It is constructed to have periodic barriers. The layers of different materials are preferably thin enough (about a monolayer in this example) to allow the carrier to tunnel between the layers. This means that carriers generated in any part of the superlattice structure 13 can pass through the superlattice structure 13, overcome the barrier, and be injected into the collection layer 15. The alternating thin layers can be composed of semiconductor layers with different bandgaps. However, it can be constructed from almost any material as long as it has a structure that perfectly maintains the crystal lattice structure while periodically disturbing the characteristics of the lattice structure. It is.

従つて当分野で既知の通り、超格子構造は、半
導体材料層が間に介在される薄い金属又は絶縁物
層を含む構成で形成することができる。
Thus, as is known in the art, superlattice structures can be formed in configurations that include thin metal or insulator layers with intervening layers of semiconductor material.

本発明の好ましい実施例は、収集層15内に注
入されたキヤリアを、収集層15とバリヤ層19
の間のヘテロ接合21即ち電荷収集用のバリヤで
集める光容量素子の構造を使用しているが、この
ことは、必ずしも必要とされない。本発明の第2
実施例では、収集層15内に注入されたキヤリア
が収集用のバリヤによつて素子内に単に蓄積され
るのみならず出力電流として利用される光導電体
として構成される。さらにこの他の実施例も考え
られる。例えば収集層15内に注入されたキヤリ
アは、MIM(金属−絶縁物−金属)容量素子によ
つて集める構成にすることもまたその他の方法で
集める構成にすることもできる。いかなる場合で
も欠くことのできない本発明の重要な構成は、超
格子構造が所定の高さのバリヤを持つヘテロ接合
と隣接するように構成され、このヘテロ接合のバ
リヤの高さが超格子構造の持つ第1及び第2の小
さな帯域のエネルギーの中間のエネルギーに等し
くなるように設計し、超格子構造の第2の小さな
帯域への遷移をおこすキヤリアが注入ヘテロ接合
バリヤをのりこえて注入されるようにし、これに
よつて赤外放射の光子に相当する出力信号を発生
するようにするということである。
A preferred embodiment of the present invention combines the carrier injected into collection layer 15 and barrier layer 19 into collection layer 15 and barrier layer 19.
Although a photocapacitive element structure is used which collects at a heterojunction 21 or a barrier for charge collection between the two, this is not necessary. Second aspect of the present invention
In the embodiment, the carrier injected into the collection layer 15 is configured as a photoconductor, where it is not only stored in the device by means of a collection barrier, but is also utilized as an output current. Furthermore, other embodiments are also possible. For example, the carriers injected into the collection layer 15 can be configured to be collected by MIM (metal-insulator-metal) capacitive elements or in other ways. An important feature of the invention, which is indispensable in any case, is that the superlattice structure is arranged adjacent to a heterojunction having a barrier of a predetermined height, the height of the barrier of this heterojunction being equal to the height of the superlattice structure. The superlattice structure is designed to have an energy equal to the intermediate energy between the energies of the first and second small bands, so that carriers causing a transition to the second small band of the superlattice structure are injected over the injection heterojunction barrier. and thereby produce an output signal corresponding to a photon of infrared radiation.

−族の化合物半導体材料の技術は非常に進
んでいてよく理解されているのでここでは、これ
らの材料に関し主として本発明の実施例を説明し
てきたことに注意してほしい。即ち、ガリウムヒ
素及びアルミニウムガリウムヒ素のエピタキシヤ
ル層を分子ビームエピタキシー(MBE)によつ
て形成することは、容易である。このような材料
から構成するシステムが特に有利である点は、ガ
リウムヒ素層とアルミニウムガリウムヒ素層の格
子が非常によく一致し、これらの層間の界面の安
定性が高いことがあげられる。異なるバンドギヤ
ツプを持つ−族の材料間にできるエピタキシ
ヤルヘテロ接合も、当分野でよく知られる他の材
料とともに使用することができる。このような材
料に関しては、例えば1971年発行のパンコブ
(Pankove)著「半導体の光学プロセス」を参照
してほしい。この著書は、本明細書の参考として
引用する。
It should be noted that the technology for -group compound semiconductor materials is so advanced and well understood that embodiments of the present invention have been described herein primarily with respect to these materials. That is, it is easy to form epitaxial layers of gallium arsenide and aluminum gallium arsenide by molecular beam epitaxy (MBE). A particular advantage of systems constructed from such materials is that the lattice of the gallium arsenide and aluminum gallium arsenide layers is very well matched and the interface between these layers is highly stable. Epitaxial heterojunctions between materials of the - family with different band gaps can also be used with other materials well known in the art. Regarding such materials, see, for example, ``Optical Processing of Semiconductors'' by Pankove, published in 1971. This book is incorporated herein by reference.

さらに、当然ながら分子ビームエピタキシー法
は、この構造を形成するうえで好ましい方法では
あるがこの方法が唯一の方法というわけではな
い。有機金属の化学的気相成長法等の化学的気相
成長法の分野で働く研究者からは、階段ヘテロエ
ピタキシー法及びこの技術で薄い層を作ることに
関して良い結果を得たことが報告されているが分
子ビームエピタキシー法が現在において確実で適
当な製造技術である。特に、分子ビームエピタキ
シー法を用いて、ほぼ単分子層に相当する薄さの
層を持つ超格子材料層を、非常に容易に作りだす
ことができる。
Furthermore, while molecular beam epitaxy is of course the preferred method for forming this structure, it is not the only method. Researchers working in the field of chemical vapor deposition methods, such as organometallic chemical vapor deposition, have reported good results with step heteroepitaxy and the creation of thin layers with this technique. However, molecular beam epitaxy is currently a reliable and suitable manufacturing technique. In particular, using molecular beam epitaxy, a superlattice material layer having a thickness approximately equivalent to a monolayer can be produced very easily.

前に示した好ましい実施例では、好ましくは、
超格子構造に含まれる厚い層には、N型ガリウム
ヒ素が用いられる。超格子構造の規則性は、検出
したい光子の最も波長の長い光子のエネルギーに
従つて計算される。この式は以下で示す。即ち、
超格子構造の間隔Lは、h2×K2/2m*=光子のエネル ギー、ここでK=2π/Lとなるように選択される。
In the preferred embodiment shown above, preferably:
N-type gallium arsenide is used for the thick layer included in the superlattice structure. The regularity of the superlattice structure is calculated according to the energy of the photon with the longest wavelength among the photons to be detected. This formula is shown below. That is,
The spacing L of the superlattice structure is chosen such that h 2 ×K 2 /2m * = photon energy, where K = 2π/L.

故に、波長の長い光子の検出には、より長い周期
の超格子構造が必要となる。5ミクロンの波長の
放射では、光子のエネルギー(h×ν)は、約
0.25エレクトロンボルト又は4×10-20ジユール
である。ガリウムヒ素では、電子の有効質量m*
は、孤立質量m0の約7%に等しくhは、プラン
ク定数を示すのでこの公式から、超格子の間隔が
93Åであることが示される。
Therefore, detecting photons with long wavelengths requires a superlattice structure with a longer period. For radiation at a wavelength of 5 microns, the energy of the photon (h x ν) is approximately
It is 0.25 electron volts or 4 x 10 -20 joules. In gallium arsenide, the effective mass of the electron m *
is equal to about 7% of the isolated mass m 0 and h represents Planck's constant, so from this formula, the superlattice spacing is
It is shown that it is 93 Å.

ガリウムヒ素をN型にする為のドーピングは、
好ましくは、やや高不純物濃度で行われ、多数の
キヤリアを発生させ、故に光子の吸収に適した断
面が提供される。好ましい実施例では、吸収層1
3のドーピングレベルは高く、好ましくは、2×
1018又はそれ以上の不純物濃度で行われ、光子の
吸収の為の大きな断面を提供することができる。
好ましくは、収集層15はほぼ真性の半導体材料
即ち、意図的には、ドーピングが行われていない
材料で構成される。
Doping to make gallium arsenide N-type is
Preferably, it is carried out at a rather high impurity concentration to generate a large number of carriers and thus provide a suitable cross section for the absorption of photons. In a preferred embodiment, the absorbent layer 1
The doping level of 3 is high, preferably 2×
It can be done with impurity concentrations of 10 18 or higher, providing a large cross section for photon absorption.
Preferably, the collection layer 15 is composed of a substantially intrinsic semiconductor material, ie a material that is not intentionally doped.

2つの光容量素子の実施例に関し説明してき
た。第1の実施例では、収集層は、例えば真性ア
ルミニウムヒ素等のより大きなバンドギヤツプを
持つエピタキシヤルバリヤ層との界面にヘテロ接
合を形成し、このバリヤ層の上には、ゲート25
が形成される。第2実施例では、信号電荷は、
MISダイオード内で集められる。このダイオード
は例えば収集層15の上に絶縁物層23及び導電
材料層23を有している。
Two photocapacitive element embodiments have been described. In a first embodiment, the collection layer forms a heterojunction at the interface with an epitaxial barrier layer with a larger bandgap, such as intrinsic aluminum arsenide, above which the gate 25
is formed. In the second embodiment, the signal charge is
Collected within the MIS diode. This diode has, for example, an insulator layer 23 and a conductive material layer 23 on the collector layer 15 .

吸収層13に実際に注入可能な最大不純物濃度
は、暗電流によつて決まる。即ち、第1の小さな
帯域内のキヤリアの数は、キヤリアが第2の小さ
なバンド内に入りこんでしまうことがないように
多すぎてはならない。
The maximum impurity concentration that can actually be implanted into the absorption layer 13 is determined by the dark current. That is, the number of carriers in the first small band must not be too large so that the carriers do not end up in the second small band.

第2の小さな帯域にキヤリアが入りこむと暗電
流が収集層内を流れてしまう。又、動作温度で注
入バリヤ高さ(頂上)から数KTの幅の中に多数
のキヤリアを提供することのないよう、すなわち
過剰な暗電流の発生を防止するためにも、第1の
小さなバンド内のキヤリアの数は多すぎてはなら
ない。
When the carrier enters the second small band, dark current flows in the collection layer. In addition, in order to avoid providing a large number of carriers within a width of several KT from the injection barrier height (top) at the operating temperature, that is, to prevent the generation of excessive dark current, the first small band is The number of carriers within should not be too large.

一般に、分極感度を低くし、これによつて、暗
電流に体する信号電流の比率を向上させるため
に、吸収層13は、さらに改変することができ
る。この層の構造は、上記で説明したように垂直
方向に関して規則性を有するばかりでなく、垂直
方向の規則性に相当する寸法で水平方向にも規則
性を有するように改変される。このように水平方
向にも規則性を持つ構造では、装置の量子効率は
向上するが必然的に生産コストも非常に上がる。
従つて現在においては、あまり好ましくない。
In general, the absorption layer 13 can be further modified in order to reduce the polarization sensitivity and thereby improve the ratio of signal current to dark current. The structure of this layer is modified to have not only regularity in the vertical direction as explained above, but also regularity in the horizontal direction with dimensions corresponding to the regularity in the vertical direction. Such a structure with regularity in the horizontal direction improves the quantum efficiency of the device, but inevitably increases the production cost.
Therefore, it is not very desirable at present.

本発明は、長い波長の光線吸収に適した−
族の材料を主として使用することを示唆してきた
ことに注意してほしい。−族の超格子構造に
ついても前に述べたが、一般に−族の材料及
びこれらの材料の特性の処理工程の方が−族
の材料の場合よりずつとよく知られているし扱い
やすい。
The present invention is suitable for long wavelength light absorption.
Please note that we have suggested the use primarily of materials from the family. Although the - group superlattice structure was mentioned earlier, - group materials and the processing steps for the properties of these materials are generally better known and easier to work with than - group materials.

<効果> 上述の本発明の装置は、明らかに、基板の有効
領域が広がり、より進歩した集積回路装置技術が
構成可能となりうかつ電荷を蓄積する為に適した
安定性の向上した界面を持つ点で、従来技術の水
銀カドニウムテルル赤外放射検出装置より秀れて
いることがわかる。さらに、本発明の装置では、
光電流に比べ極めてわずかな暗電流しか発生しな
い。
<Advantages> The device of the present invention described above clearly has the advantage that the effective area of the substrate is expanded, more advanced integrated circuit device technology can be constructed, and it has an interface with improved stability suitable for storing charge. It can be seen that this device is superior to the conventional mercury-cadmium-tellurium infrared radiation detection device. Furthermore, in the device of the present invention,
Only a very small dark current is generated compared to the photocurrent.

本発明は特定の実施例に関し特に説明してきた
が当業者には、種々の改変変更も明らかである。
従つて本発明は従来技術との関連で最も広く特許
請求の範囲の記載に基づき解釈され、このような
改変変更を全て含むものである。
Although the invention has been particularly described with respect to specific embodiments thereof, various modifications and changes will become apparent to those skilled in the art.
It is therefore intended that the present invention be construed in the broadest manner in the context of the prior art and in accordance with the scope of the appended claims, including all such modifications.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明に従う光容量検出器を用いる
撮像装置の回路図で、第2図は、本発明に従う光
容量検出器の概略図、第3図は第2図の超構子構
造材料層13の拡大図、第4図は、第2図および
第3図の伝導帯分布を示す図、第5図は伝導帯内
にできる第1及び第2の小さな帯域を示すために
上記超格子構造の帯域構造をさらに詳しく示す図
である。 1……赤外放射検出セル、3……FET装置、
5……列線、7……行線、11……ガリウムヒ素
基板、13……吸収層、15……収集層、17…
…第1のヘテロ接合、19……バリヤ層、21…
…第2のヘテロ接合、23……絶縁物層、25…
…透明電極層、31……N型ドーピングガリウム
ヒ素層、33……アルミニウムガリウムヒ素層、
101……ブリユアン帯域の境界、103……ポ
テンシヤルカーブ、105……第1の小さな帯
域、107……第2の小さな帯域。
FIG. 1 is a circuit diagram of an imaging device using a photocapacitive detector according to the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram of a photocapacitive detector according to the present invention, and FIG. 3 is a superstructural structural material of FIG. 2. An enlarged view of layer 13, FIG. 4 shows the conduction band distribution of FIGS. 2 and 3, and FIG. 5 shows the superlattice to show the first and second small bands formed within the conduction band. FIG. 3 is a diagram showing the band structure of the structure in more detail; 1... Infrared radiation detection cell, 3... FET device,
5... Column line, 7... Row line, 11... Gallium arsenide substrate, 13... Absorption layer, 15... Collection layer, 17...
...first heterojunction, 19...barrier layer, 21...
...Second heterojunction, 23...Insulator layer, 25...
...transparent electrode layer, 31...N-type doped gallium arsenide layer, 33...aluminum gallium arsenide layer,
101... Brillouin band boundary, 103... Potential curve, 105... First small band, 107... Second small band.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 (a) 少くとも2つの交互に繰り返す第1と第
2の型のバンドの吸収超格子を有し、この第2
の型は第1の型より広いバンドギヤツプを持
ち、更に (b) 上記超格子に隣接する光子集収層を有し、こ
の光子集収層は上記第2の型よりは小さく、上
記第1の型よりは大きなバンドギヤツプポテン
シヤルを持ち、更に (c) 上記吸収超格子をたたく光子エネルギーによ
つて上記超格子から上記光子集収層にとびこむ
電子を検出するためのセンサを有する、ことを
特徴とする赤外線半導体検出装置。
Claims: 1. (a) having an absorbing superlattice of at least two alternating bands of first and second type;
(b) has a photon collection layer adjacent to said superlattice, which photon collection layer is smaller than said second type and has a wider bandgap than said first type; has a large bandgap potential, and further comprises (c) a sensor for detecting electrons jumping from the superlattice to the photon collection layer by photon energy striking the absorption superlattice. Infrared semiconductor detection device.
JP60003140A 1984-01-13 1985-01-11 infrared detection device Granted JPS60161679A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US57046384A 1984-01-13 1984-01-13
US570463 1984-01-13

Publications (2)

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JPS60161679A (en) 1985-08-23
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